Ausführliche Beschreibung des Verbundprojektes

Herausforderungen und Ziele

Vor dem Hintergrund der rasant steigenden Nachfrage nach Speicherlösungen für die Energiewende haben die Unternehmen thyssenkrupp, Centroplast und Eisenhuth sowie das Energie-Forschungszentrum Niedersachsen (EFZN) und das Zentrum für BrennstoffzellenTechnik (ZBT) ein gemeinsames Forschungs- und Entwicklungsprojekt ins Leben gerufen. Ziel ist es, ein neues, kostengünstiges Herstellungsverfahren für eine der Kernkomponenten von Redox-Flow-Batterien – die Bipolarplatte – mit Flächen im Quadratmeter-Bereich zu entwickeln. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) unterstützt das Projekt im Rahmen der Fördermaßnahme „Extrusions-Platte – Neuartige großflächige Bipolarplatten im Extrusionsverfahren für Redox-Flow-Batterien“ über drei Jahre mit 3,9 Mio. Euro. Die neue Technologie, die eine enorme Reduzierung der spezifischen Herstellungskosten von Redox-Flow-Batterien ermöglicht, soll voraussichtlich ab 2018 von thyssenkrupp vermarktet werden.

Der weltweite Markt für Energiespeichersysteme wächst rapide. Grund dafür ist, dass sich erneuerbare Energien immer mehr am Energiemarkt durchsetzen. Die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien wird sich im Zeitraum 2012 bis 2040 etwa verdreifachen, prognostiziert die Internationale Energie Agentur IEA. Das Problem dabei: Wind und Sonne sind volatil. Die Energiemengen, die sie zur Verfügung stellen, richten sich nicht nach dem aktuellen Bedarf, sondern unterliegen starken Schwankungen. Um zukünftig große Energiemengen aus erneuerbaren Ressourcen speichern zu können, werden flexible Stromspeicher wie die Redox-Flow-Batterie benötigt.

Die Besonderheit der Redox-Flow-Batterie liegt darin, dass die Speicherung der Energie und deren Umwandlung nicht wie bei anderen Batteriesystemen am selben Ort stattfindet, sondern räumlich voneinander getrennt abläuft. Redox-Flow-Batterien speichern den Strom als chemische Energie in zwei großen Tanks, in denen sich elektrolytische Flüssigkeiten befinden – Salze, die in organischen oder anorganischen Säuren gelöst sind. Die beiden Tanks sind mit elektrochemischen Zellen verbunden, die den Strom in chemische Energie oder chemische Energie in Strom umwandeln. Die Leistung und die zu speichernde Strommenge der Redox-Flow-Batterie sind unabhängig voneinander skalierbar. Dies stellt neben der langen Lebensdauer einen großen Vorteil der Redox-Flow-Batterie gegenüber anderen Batteriesystemen dar. Redox-Flow-Batterien eignen sich insbesondere als stationäre Energiespeicher. Sie können sehr schnell auf die jeweilige Versorgungssituation reagieren und in Sekundenbruchteilen von Speichern auf Entladen umstellen. Der Systemwirkungsgrad liegt momentan bei bis zu 80 Prozent.

Je größer die Tanks, desto mehr Strom kann gespeichert werden. Die Leistung hängt dagegen von der Größe der aktiven Fläche der elektrochemischen Zellen und damit direkt von der Größe der Bipolarplatte ab. Diese zu vergrößern, hat sich das Konsortium aus Industrie und Forschung zum Ziel gesetzt. Beim derzeitigen Stand der Technik misst die Zellfläche von kommerziellen Redox-Flow-Batterien ca. 0,1 Quadratmeter; die Leistung liegt damit bei nur etwa 80 Watt. Um zukünftig auch großtechnische, industrielle Anwendungen realisieren zu können, will man die aktive Zellfläche von Redox-Flow-Batterien auf 2,7 Quadratmeter vergrößern, also auf das mehr als 30fache. Durch Verschaltung einiger hundert bis mehrerer tausend dieser Zellen zu größeren Einheiten erhält man einen Energiespeicher im zwei- bis dreistelligen Megawatt-Bereich. Dieses Prinzip ist nicht neu und wird bereits heute in anderen Elektrolyseanwendungen, zum Beispiel in der Chlorproduktion, praktiziert.

Problematisch ist in diesem Zusammenhang die Fertigung entsprechend großer Bipolarplatten mit den konventionellen Verfahren des Pressens und Spritzgusses, da dabei die an die Bipolarplatte gestellten Qualitätsanforderungen bisher nicht erfüllt werden. Das Forschungsprojekt untersucht deshalb die Fertigung von neuartigen großflächigen und stabilen Bipolarplatten mittels Extrusionsverfahren. Es werden die Eigenschaften der entwickelten Bipolarplatten untersucht und die Entwicklung von Zellgeometrien durch ein mathematisches Modell unterstützt.

Der Anlagenbauer thyssenkrupp Industrial Solutions arbeitet schon seit geraumer Zeit mit Hochdruck an der Weiterentwicklung der Redox-Flow-Speichertechnologie hin zu Lösungen im großtechnischen Maßstab. Dabei liegt das Know-how des Unternehmens vor allem im Aufbau der elektrochemischen Zelle. Durch die Entwicklung eines verbesserten, für thyssenkrupp patentierten Zelldesigns konnte am Forschungs- und Entwicklungsstandort in Ennigerloh kürzlich ein Redox-Flow-Speicher in Technikumsgröße mit Zellflächen von bis zu 0,6 Quadratmetern in Betrieb genommen werden. Hier werden zukünftig auch die neu entwickelten Bipolarplatten unter anwendungsnahen Bedingungen auf ihren Einsatz in Redox-Flow-Batterien getestet.

Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Im Rahmen des Projekts zur Entwicklung eines Herstellungsverfahrens neuartiger Bipolarplatten ist Eisenhuth für die Übertragung der Forschungsergebnisse in die industrielle Fertigung und für die Produktion von flächenmäßig kleinen Bipolarplatten verantwortlich. Das ZBT übernimmt mit Unterstützung durch Eisenhuth die Auswahl und Weiterentwicklung von Materialien und Werkstoffen, die hinsichtlich der neuen Technologie für die Herstellung der Bipolarplatten geeignet sind.

Der Kunststoffspezialist Centroplast wird das Scale-up der Bipolarplatten übernehmen und die Machbarkeit ihrer Herstellung im Quadratmeter-Maßstab mittels der neuen Technologie demonstrieren. Dabei liegt der Schwerpunkt vor allem darauf, die Bipolarplatten fehlerfrei und in hoher Qualität reproduzierbar in einem robusten Prozess herzustellen. Während des Entwicklungsprozesses werden die Forschungsinstitute ZBT und EFZN die Herstellung der Bipolarplatten durch Eisenhuth und Centroplast mithilfe umfangreicher Materialcharakterisierungen und elektrochemischer Untersuchungen unterstützen.

thyssenkrupp Industrial Solutions übernimmt schließlich die Einbindung der neu entwickelten Bipolarplatten in Redox-Flow-Batterien sowie die weitere Optimierung des Zelldesigns hin zu großtechnischen Anwendungen. Das Gemeinschaftsprojekt zur Herstellung der Bipolarplatte wird von Eisenhuth koordiniert.

Quellen:
http://news.thyssenkrupp.com/tknsSkatInternet/onlineXml/onlinexml.skat?request=detail&format=html&eid=TKBase_1452523333443_1890167910&lang=ger (jüngster Zugriff: 02.03.2017);
https://www.icvt.tu-clausthal.de/forschung/projekte/#c646 (jüngster Zugriff (02.03.2017)

Kurzkategorisierung

Energiespeichertypen

Redox-Flow-Systeme

Anwendungsfelder

stationär

Förderempfänger

Industrie, Forschungs- und Entwicklungseinrichtung

Verbundprojektleiter

Herr Dr. Thorsten Hickmann
Eisenhuth GmbH & Co. KG
Friedrich-Ebert-Str. 203
37520 Osterode am Harz

Telefon: +49 5522 9067-14
E-Mail: formen@eisenhuth.com

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